【正文】 是他們?cè)谖耶厴I(yè)的最后關(guān)頭給了我們巨大的幫助與鼓勵(lì)，給了我很多解決問題的思路，在此表示衷心的感激。致 謝四年的大學(xué)生活就快走入尾聲，我們的校園生活就要?jiǎng)澤暇涮?hào)，心中是無盡的難舍與眷戀。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計(jì)。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。同時(shí)，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，寬帶的應(yīng)用越來越受到重視，新的標(biāo)準(zhǔn)相繼提出，通訊產(chǎn)品越來越小型化，物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，因此天線的小型化成為天線設(shè)計(jì)的又一研究熱點(diǎn)。對(duì)線極化微帶天線來說，通?？紤]的電參數(shù)有：方向圖、輸入阻抗和增益。一種在相同條件下減小頻率從而相對(duì)減小尺寸的方法也被提出， 這種方法已 應(yīng)用于圓極化微帶天線。不同的應(yīng)用選擇不同的變量。加載技術(shù)在實(shí)現(xiàn)天線的小型化時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶。a 采用傾斜式3D錐形過渡的懸浮貼片b 采用垂直式3D錐形過渡的懸浮貼片 采用3D錐形過渡的寬帶單層貼片天線 電阻性加載技術(shù) 引入天線損耗是提高天線阻抗帶寬的一種方法。 當(dāng) 基 片 厚 度h ，饋電探針的作用更為顯著；當(dāng)h ，其作用等效于 一 個(gè)電感，這個(gè)電感與上述并聯(lián)諧振回路相串聯(lián)， 形成天線的輸入阻抗。 阻抗匹配技術(shù)實(shí)際上這并不屬于微帶天線本身的問題， 而是饋線的匹配問題。還可以選用楔形或階梯形基片。當(dāng)微帶天線的VSWR一定時(shí) ( 通常為VSWR 2 ) ， 其帶寬和品 質(zhì)因素成反比， 因此降低天線品質(zhì)因素Q是改善天線帶寬的根本途徑. 首先，選用厚基片。 對(duì)線極化微帶天線來說， 通?？紤]的特性參數(shù)是: 方向圖、 增益和阻抗。為改善天線性能，常綜合采用多種方法。利用有源網(wǎng)絡(luò)的高輸出阻抗、低輸入阻抗，天線帶寬高低端頻比可達(dá)20～30 。選擇適當(dāng)?shù)牟蹚亩刂瀑N片表面電流以激勵(lì)相位差90176。這類高介質(zhì)天線的主要缺陷是: (a) 激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗較大，使增益減小，效率降低。其缺點(diǎn)是: (1) 阻抗匹配極大地依賴于短路探針的位置及其與饋電點(diǎn)的距離Δ，往往需要饋電點(diǎn)的精確定位和十分微小的Δ，這給制造公差提出了苛刻要求。然而遺憾的是，在較低頻段(VHF/ UHF) ，傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)微帶天線尺寸仍然太大。但是其數(shù)值解的穩(wěn)定性要受時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)的限制。由此也產(chǎn)生了多種數(shù)值方法，它們各具有一些優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。因?yàn)榍惑w模型基于一維電小的基本假設(shè)（即介質(zhì)基片的厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。因此微帶天線的嚴(yán)格分析將是非常復(fù)雜的，而通常根據(jù)微帶天線的實(shí)際特征做某些方面的假設(shè)和近似進(jìn)而得出分析模型則不失為一種簡(jiǎn)單有效的處理手段。共面波導(dǎo)線饋電的形式如圖24（e）所示。電磁場(chǎng)通過在地板上切割的電長(zhǎng)度較小的孔徑或槽從微帶饋線耦合到輻射貼片上。對(duì)于同軸饋電的情形，探針長(zhǎng)度的增加會(huì)使得輸入阻抗呈現(xiàn)出更大的感性，這將給天線的匹配帶來問題。其優(yōu)點(diǎn)是同軸線可以根據(jù)天線輸入阻抗的匹配需求而放置在貼片下面的基片中的任何位置。圖（e）可視為共軸排列的微帶縫隙天線，利用共面波導(dǎo)線來饋電。與微帶貼片天線相比，其優(yōu)點(diǎn)是交叉極化電平低。采用等效磁流法來進(jìn)行近似分析。此外，還可以將微帶振子彎折以構(gòu)成微帶折合振子從而減小天線的尺寸。 微帶貼片天線具有很多優(yōu)點(diǎn)：分析和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)各種極化形式，可以多頻段工作，制作方便，等等。 相信隨著對(duì)微帶天線應(yīng)用可能性認(rèn)識(shí)的提高，以及各種電路系統(tǒng)對(duì)天線的小型化集成化要求的提高，微帶天線的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯，其應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)繼續(xù)增多。 (7)天線的散射截面較?。? (8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)。（a）微帶貼片天線 （b）微帶振子天線（c）微帶行波天線 （d）微帶縫隙天線 微帶天線的典型結(jié)構(gòu) 通常介質(zhì)基片的厚度與波長(zhǎng)相比是很小的，因而它實(shí)現(xiàn)了一維小型化，屬于電小天線的一類。 本文主要內(nèi)容本論文主要針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)微帶天線寬頻帶、小型化展開了比較全面的分析研究，同時(shí)提出了幾種新型結(jié)構(gòu)的微帶天線設(shè)計(jì)，全文共分為以下幾個(gè)方面：第一章為緒論部分，主要是簡(jiǎn)單的介紹了當(dāng)前微帶天線的是寬頻帶、小型化研究狀況以及存在的問題，在此調(diào)研的基礎(chǔ)上提出了自己的研究方向。 國(guó)內(nèi)外研究微帶天線的寬頻帶技術(shù)微帶天線的固有缺點(diǎn)就是阻抗頻帶窄，展寬頻帶是最困難也是最富有挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展，寬頻帶微帶貼片天線的研究己成為了非常熱門的課題，同時(shí)寬帶微帶貼片天線將逐漸向著小型化，簡(jiǎn)單化同時(shí)具有多功能、多用途的方向發(fā)展。本論文的主要工作就是提出這類天線的一些簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因此本文對(duì)微帶天線最基本的小型化技術(shù)、寬頻帶技術(shù)進(jìn)行了探討、分析和歸納。在設(shè)計(jì)過程中，采用ANSOFT公司的電磁仿真軟件——Ansoft HFSS，結(jié)合寬頻帶的設(shè)計(jì)方法，提出了一些簡(jiǎn)單的微帶天線結(jié)構(gòu)。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 微帶天線簡(jiǎn)介早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。近年來，人們?cè)谖зN片天線展寬頻帶方面做了大量的研究微帶天線的寬頻帶技術(shù)主要采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)。第二章簡(jiǎn)單介紹微帶天線的基本理論以及分析方法第三章討論微帶天線小型化、寬頻帶的各種方法，并具體提出了一種小型化方法并附有設(shè)計(jì)與分析。另外，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多手機(jī)天線都是采用曲折線型的微帶天線實(shí)現(xiàn)了手機(jī)天線的小型化。 (9) 微帶天線適合于組合式設(shè)計(jì)(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調(diào)制器、開關(guān)等可以直接加到天線基片上)； (10)饋線和匹配網(wǎng)絡(luò)可以和天線結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)和加工。 微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法 在對(duì)微帶天線有了一個(gè)初步的了解之后，接下來我們將對(duì)微帶天線的結(jié)構(gòu)和分析方法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。故一般的微帶天線多是這種形式，我們將在第三節(jié)對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)的介紹。當(dāng)微帶振子很窄且基片厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)波長(zhǎng)或微帶振子的長(zhǎng)度等于諧振長(zhǎng)度時(shí)，我們可以假設(shè)微帶振子上的電流滿足余弦分布，從而得到其輻射特性。此時(shí)微帶線上不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)的輻射用微帶線兩側(cè)的磁流來等效，且一般對(duì)于微帶線型天線，其微帶線的寬度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此直微帶線上的寄生輻射可以忽略，且不連續(xù)點(diǎn)或彎曲點(diǎn)處微帶線兩側(cè)磁流的輻射可用位于中心線的單個(gè)磁流來等效。但由于縫隙本身電抗的影響，其駐波帶寬一般比較窄，且是雙向輻射的，不過這可以通過在介質(zhì)基片的另一側(cè)增加地板來消除背向輻射。圖（f）為微帶線饋電的圓環(huán)縫隙，若縫隙改為長(zhǎng)短軸相近的橢圓環(huán)，并合理設(shè)置饋電位置，還可以實(shí)現(xiàn)在邊射方向上的圓極化輻射。其缺點(diǎn)是需要在介質(zhì)基片中鉆孔以滿足內(nèi)導(dǎo)體的連接需求，同時(shí)該饋電形式需要一個(gè)向地板外面突出的連接器，這就有礙于微帶天線的集成一體化設(shè)計(jì)，天線整體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性會(huì)使得交叉極化相對(duì)較大。而對(duì)于微帶線饋電，由于特性阻抗的制約，基片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致微帶線上金屬導(dǎo)帶寬度的增加，這將加劇饋線產(chǎn)生的干擾輻射?？讖酵ǔＮ挥谫N片的正下方，以利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來抑制交叉極化電平。在這種結(jié)構(gòu)中，共面波導(dǎo)線刻蝕在天線的地板上，由同軸探針激勵(lì)，終止處是一個(gè)槽。由麥克斯韋方程的不同解法發(fā)展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡(jiǎn)單實(shí)用而在規(guī)則貼片天線的分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。在腔體中，場(chǎng)沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數(shù)建立關(guān)于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方程，然后利用函數(shù)展開法將此積分方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程，利用計(jì)算機(jī)便可得出近似解。33第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 第三章 微帶天線的小型化及寬頻帶技術(shù) 微帶天線的小型化技術(shù) 概述現(xiàn)代電磁學(xué)歷經(jīng)三百多年的發(fā)展，日臻成熟完善。這樣，實(shí)用化小型微帶天線的研制，特別是用作第三代移動(dòng)通信(3G) 系統(tǒng)、藍(lán)牙(Bluetooth) 系統(tǒng)及無線定位系統(tǒng)的天線，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。(2) 帶寬窄。(b) 帶寬窄。的極化簡(jiǎn)并模，還可形成圓極化輻射，以及實(shí)現(xiàn)雙頻工作。(2) 增益高(可達(dá)10dB 以上) ，方向性好。 微帶天線的小型化設(shè)計(jì)與分析1 .天線設(shè)計(jì) 基本思想 微帶天線是諧振式天線，微帶貼片的長(zhǎng)度大約為介質(zhì)波長(zhǎng)的1 /2. 如果用f表示天線輻射的中心頻率， L 表示微帶貼片的長(zhǎng)度，則諧振頻率 （ 1 ） 式(1)中為等效介電常數(shù)， △l為考慮邊緣效應(yīng)的校正長(zhǎng)度. 用w 表示微帶的寬度， h表示微帶的厚度，哈默斯塔德給出△l的經(jīng)驗(yàn)公式為 （ 2 ） ，. ，. 可以設(shè)想把圖1所示的微帶天線進(jìn)行折疊(如圖1所示) ，微帶天線的面積將減少到原來的1 /，由于微帶天線常采用正方形結(jié)構(gòu)，因此天線面積減小遠(yuǎn)不止1 /2. 折疊后天線的輻射性能是我們關(guān)心的主要問題，按照上述思想我們?cè)O(shè)計(jì)了折疊式微帶天線并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證. 圖 1 折疊微帶天線示意圖 天線結(jié)構(gòu)如圖2所示. 與通常寄生貼片天線不同，上表面( surface)與下表面( Ground)通過側(cè)面(Joint)連為一體，三個(gè)面形成一種半封閉結(jié)構(gòu). 天線為三層印刷板，板材選用Rogers TMM4作為介質(zhì)基片，相對(duì)介電常數(shù)為4. 5. 上下表面均為正方形的敷銅面，中間為微帶天線貼片(patch). 同軸饋電，饋電探針與中間層相連. 本設(shè)計(jì)中，上下兩層基片介質(zhì)相同，厚度也相同= = 2mm，總厚度4mm. 當(dāng)然也可以選用厚度不同、材料不同的基片. 中間貼片(patch)為正方形結(jié)構(gòu)，尺度為28mm 28mm，地板的尺度為32mm 32mm，上表面的大小與地板相同. 同軸線的外徑為2. 3mm，探針半徑為1mm，特征阻抗為50Ω. 饋電點(diǎn)與貼片中心點(diǎn)的距離為y = 圖 2 折疊式微帶天線幾何結(jié)構(gòu)2 . 天線仿真 Ansoft HFSS是Ansoft公司開發(fā)的基于有限元的電磁仿真軟件，在微波電路設(shè)計(jì)中有著非常廣泛的應(yīng)用. 下面各圖給出了仿真結(jié)果. 必須指出，仿真設(shè)置為天線的地平面與吸收界面相重合，如果不做如此設(shè)置，則天線為雙向輻射，仿真增益會(huì)有所下降. 圖3為天線的回波損耗. 在發(fā)射中心頻率點(diǎn)f =，天線的回波損耗達(dá)28. 52dB. 圖4為天線的駐波比隨微波頻率的變化， VSWR ≤2 的頻帶寬度為8MHz， %. 顯然，天線頻帶較窄， Q值較高，不太適合對(duì)頻帶要求較寬的場(chǎng)合. 如何降低天線的Q值、拓寬頻帶，尚需進(jìn)行進(jìn)一步研究。 其中最易受頻率變化影響的是阻抗， 也就是說， 線極化微帶天線頻帶主要受其阻抗帶寬限制。從物理意義上講， 增大基片厚度使頻帶加寬的原因是由于厚 度增加， 輻射電 導(dǎo)也隨 之增大， 從而 輻 射所對(duì)應(yīng)的Q ， 及總的Q ， 值下降。由于兩輻射端口處基板厚度不同，使兩個(gè)諧振器經(jīng)階梯電容禍合產(chǎn)生雙回路現(xiàn)象，從而導(dǎo)致帶寬展寬。 由于線極化微帶天線的工作帶寬主要受到其阻抗帶寬的限制， 因此采用饋線匹配技術(shù)就能使天線工作在較寬的頻帶改變阻抗的一種